La espectroscopia.

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Kirchhoff y Bunsen, haciendo que la luz solar llegase a un espectroscopio tras atravesar una llama de sodio; notaron que si se debilita suficientemente la luz solar, las líneas oscuras de Fraunhofer eran sustituidas por las líneas brillantes provenientes de la llama. Así se confirmó que la superposición de los dos tipos de espectros forma un espectro continuo, como si uno fuera el positivo y el otro fuera el negativo (uno es el inverso del otro). Esto quiere decir que, el espectro de cualquier material o sustancia emite líneas en ciertas frecuencias que coinciden con las mismas líneas que hacen falta en el otro tipo de espectro, por lo que podemos anunciar que estas líneas son absorbidas (Sánchez, 2001), es decir, en la misma frecuencia en que absorben, emiten. A continuación se presentan dichas líneas en la Imagen 1.

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El espectrómetro de Kirchhoff y el mechero de Bunsen, fueron esenciales para el estudio espectral, y crearon la idea que el conjunto de líneas espectrales es característico de cada elemento y se toma como el registro natural de cada uno, al comprobar que éste registro es el mismo independiente de la clase de experimentación (absorción o emisión) que se realice, ya que cada una de esas líneas corresponden a ciertas longitudes de onda, que es la razón esencial para identificar los diferentes elementos. (Sánchez, 2001).

La radiación que emite un gas o un cuerpo denso cuando es calentado nos brinda un espectro continuo, pero las líneas oscuras aparecen si este gas se pone delante de un emisor continuo más caliente, como lo que ocurre con el sol y la atmósfera terrestre. De ésta manera Kirchhoff y Bunsen resolvieron el problema de la composición de la atmósfera solar comparando éste espectro con las sustancias terrestres descubriendo dos nuevos elementos: rubidio y cesio en los residuos de ciertas aguas minerales. (Morcillo y Orza, 1972).

La aparición de los métodos espectrométricos estableció un avance en el análisis de los materiales, ya que no destruyen la muestra, lo cual permite que se utilice en medios in vivo o in situ, siendo de suma importancia en el área de investigación.

El término espectroscopia comprende el uso de la absorción, emisión o dispersión de radiación electromagnética para estudiar la materia, sus componentes o procesos fisicoquímicos.

Fundamentos:

La espectroscopia por infrarrojo (IR) comprende la medición de las vibraciones de las moléculas. Las moléculas tienen un conjunto de vibraciones de resonancia producidas por energía térmica. Cuando una molécula es expuesta a radiación desde una fuente de energía térmica, absorbe esta radiación sólo a las frecuencias que correspondan a su modo de vibración molecular, en la región del infrarrojo del espectro electromagnético, siendo localizada ésta entre las regiones visibles y la de microondas. De esta forma, una sustancia puede ser caracterizada midiendo la absorción de energía infrarroja de las moléculas que la componen (Quinteiro, 2000).

El espectro vibracional de una molécula se considera una propiedad física única y por tanto característica de ésta molécula. Como con cualquier otra interacción o proceso con la absorción de radiación, esta provoca una alteración en el cambio de estado de las vibraciones de las moléculas. Por lo tanto, el espectro IR se puede usar como “huella dactilar” en la identificación de muestras desconocidas mediante la comparación con espectros de referencia (Serrano, 2006).

Cada región del espectro electromagnético tiene diferente interacción con la materia dependiendo de su longitud de onda/frecuencia, debido principalmente a que la cantidad de energía es inversamente proporcional a la longitud de su onda, es decir, a mayor longitud de onda menor será la energía que tenga y viceversa. (Skoog, 2008)

Por ello la energía de ondas de muy bajas longitud de onda (rayos gamma) puede afectar a la materia a niveles subatómicos, por otro lado, las ondas de radio, de muy baja energía y mucha mayor longitud de onda no afectan drásticamente a la materia, Véase la Figura 1 (en inglés). En el caso del infrarrojo, la energía generada actuará a nivel molecular afectando los enlaces covalentes de los compuestos orgánicos, es decir, la absorción de dicha energía por una molécula ocasionará vibraciones (de tensión y flexión) en sus enlaces y deformaciones en su estructura resultado de las mismas. (Smith, 1979).

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Figura 1: Regiones del espectro electromagnético y sus interacciones con la materia. Tomado de Stuart, B. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and applications

Cada vibración involucra que exista mayor absorción y por tanto una menor transmisión, generando bandas espectrométricas características en un intervalo de número de onda. Dichas bandas pueden ser usadas para análisis cuanlitativos (elucidación estructural, identificación de grupos funcionales) o cuantitativos (ley de Lambert-Beer). (Skoog, 2008)

Calibración de espectrómetros FT-IR

En este tipo de instrumentos únicamente se calibra la escala de número de onda, ya que, la medición de la transmitancia y absorbancia no se hace directamente con el detector, sino es el resultado de una serie de cálculos matemáticos conocidos como Transformada de Fourier. (Schrader, 1990)

La escala de número de onda, es una escala de frecuencia que indica el número de veces que vibra una onda en una unidad de distancia que se encuentra en cm-1 y es el inverso de la escala de longitud de onda. La calibración de la escala se realiza con un material de referencia certificado, esta es una película de poliestireno (polímero compuesto por n unidades de vinil benceno o estireno) el cual presenta bandas de absorción características en la región infrarroja, las cuales son medidas y certificadas por Institutos Nacionales de Metrología. (Nakanishi, 1962)

Debido a que no es una técnica altamente reproducible, para la calibración se deben realizar seis mediciones, localizar las bandas de transmisión (mínimo de transmitancia) y reportar el promedio. (Skoog, 2008)

Composición:

Un espectrómetro por transformada de Fourier consta de tres elementos básicos: una fuente luminosa, un interferómetro de Michelson y un detector. (Schrader, 1990)

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Su funcionamiento es el siguiente: un haz colimado, proveniente de una fuente que emite en toda la región infrarroja, incide sobre un divisor de haz.